Ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt: Các chiến lược thực tiễn để phòng ngừa hiện tượng quá nhiệt trong hệ thống pin LiFePO₄

Sự cố quá nhiệt là tình trạng hỏng hóc mà các kỹ sư pin lo ngại nhất: một khi tế bào pin bắt đầu tự sinh nhiệt không kiểm soát được, sự cố có thể lan rộng qua toàn bộ khối pin và gây ra hỏa hoạn, khí độc, hư hỏng nghiêm trọng thiết bị hoặc thậm chí hậu quả nghiêm trọng hơn. Lithium iron phosphate (LiFePO₄) (LFP) có tính ổn định nhiệt cao hơn so với nhiều công thức lithium năng lượng cao khác, nhưng "ổn định hơn" không có nghĩa là "bất khả xâm phạm". Để ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt trong các hệ thống thực tế, cần áp dụng chiến lược đa tầng bao gồm hóa học và thiết kế pin, kiến trúc và hệ thống làm mát của gói pin, hệ thống quản lý pin, tiêu chuẩn thử nghiệm, và các quy trình vận hành nghiêm ngặt. Bài viết này giải thích các nguyên nhân gốc rễ, các tín hiệu cảnh báo sớm, và các biện pháp phòng ngừa thực tiễn, có thể triển khai tại hiện trường mà các kỹ sư và đội ngũ mua sắm cần kiên quyết yêu cầu.

Cách khởi phát hiện tượng quá nhiệt — các nguyên nhân gốc rễ phổ biến

Phản ứng nhiệt chạy trốn là một phản ứng dây chuyền: nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ phản ứng bên trong, từ đó tạo ra thêm nhiệt, và cứ thế tiếp diễn. Chuỗi phản ứng này có thể được kích hoạt theo nhiều cách có thể dự đoán và phòng ngừa được:

Lạm dụng điện: Quá tải, điện áp quá cao liên tục hoặc chập mạch bên ngoài/bên trong có thể làm tăng nhiệt độ tế bào pin một cách nhanh chóng.
Hư hỏng cơ học: Vết thủng, va đập hoặc biến dạng có thể gây ra chập điện bên trong.
Nhiệt độ môi trường hoặc nhiệt độ hoạt động cao: Nhiệt độ cao kéo dài làm tăng tốc các phản ứng phụ và làm suy yếu các bộ tách và điện cực.
Lỗi sản xuất hoặc ô nhiễm: Tạp chất vi mô, lớp phủ kém chất lượng hoặc khuyết tật hàn có thể làm tăng nguy cơ xảy ra chập điện bên trong.

Hiểu rõ các yếu tố kích hoạt này là bước đầu tiên trong việc giảm thiểu rủi ro, vì mỗi yếu tố đều có các biện pháp kiểm soát kỹ thuật tương ứng. Các đánh giá rủi ro toàn diện cho thấy tất cả các loại hóa chất lithium đều tiềm ẩn rủi ro, nhưng xác suất và mức độ nghiêm trọng của rủi ro thay đổi tùy thuộc vào thiết kế và các biện pháp kiểm soát.

Tại sao LiFePO₄ có hành vi khác biệt — so sánh thực tế

Cấu trúc tinh thể và hóa học của LiFePO₄ mang lại cho nó nhiệt độ phân hủy nhiệt cao hơn và năng lượng hóa học lưu trữ trên mỗi tế bào thấp hơn so với nhiều loại cực dương giàu niken. Trên thực tế, điều này có nghĩa là các tế bào LFP chịu được sự lạm dụng và nhiệt độ cao tốt hơn và ít có nguy cơ xảy ra hiện tượng nhiệt chạy trốn năng lượng. Tính chất hóa học này giảm bớt—nhưng không loại bỏ hoàn toàn—cần thiết phải thiết kế và kiểm tra hệ thống cẩn thận. Các nhà thiết kế nên xem LFP như một lợi thế an toàn để tận dụng thông qua các biện pháp kiểm soát kỹ thuật, chứ không phải là lý do để nới lỏng các biện pháp bảo vệ.

Các biện pháp kiểm soát kỹ thuật ngăn chặn một tế bào pin đơn lẻ trở thành đám cháy pin.

Ngăn chặn sự lây lan từ một tế bào hỏng sang các tế bào lân cận là điều quan trọng. Các biện pháp kỹ thuật chính bao gồm:

Hệ thống Quản lý Pin (BMS) bền bỉ: Hệ thống quản lý pin (BMS) phải cung cấp giám sát điện áp và nhiệt độ từng tế bào, cân bằng chủ động và logic ngắt kết nối có độ tin cậy cao. Đối với hệ thống xe điện và hệ thống tĩnh, dữ liệu từ xa của BMS báo cáo xu hướng tình trạng sức khỏe là yếu tố quan trọng để phát hiện sự suy giảm dần dần trước khi tế bào pin hỏng.
Quản lý nhiệt và phân vùng: Các đường dẫn nhiệt hiệu quả, rào cản nhiệt giữa các mô-đun và hệ thống làm mát tập trung giúp ngăn chặn nhiệt cục bộ làm tăng nhiệt độ của các tế bào lân cận. Các gói pin tiên tiến sử dụng tấm tản nhiệt, vật liệu thay đổi pha hoặc hệ thống làm mát bằng chất lỏng cho các ứng dụng công suất cao.
Thiết kế cơ khí và tách rời: Các giá đỡ hấp thụ va đập, vỏ bọc cứng và khoảng cách giữa các tế bào giúp giảm nguy cơ hư hỏng cơ học và làm chậm quá trình lan truyền nếu tế bào bị rò rỉ.
Kiểm soát chất lượng sản xuất: Khả năng truy xuất nguồn gốc chuỗi cung ứng, quy trình lắp ráp trong phòng sạch và quy trình hàn/phủ lớp nhất quán giúp giảm đáng kể tỷ lệ lỗi tiềm ẩn có thể gây ra các sự cố chập điện bên trong.

Các thực hành vận hành giúp giảm thiểu rủi ro một cách đáng kể.

Các biện pháp kiểm soát tại hiện trường quan trọng không kém các quyết định kỹ thuật:

Sạc đúng và cấu hình sạc: Sử dụng bộ sạc tương thích với cửa sổ CC–CV của LFP và tuyệt đối không vượt quá điện áp khuyến nghị cho từng tế bào; các sự cố quá áp là nguyên nhân phổ biến gây hỏng hóc.
Các quy trình nhạy cảm với nhiệt độ: Tránh sạc hoặc xả pin ngoài phạm vi nhiệt độ do nhà sản xuất quy định và đảm bảo thông gió hoặc làm mát khi thiết bị hoạt động trong môi trường nóng.
Theo dõi từ xa định kỳ và xu hướng: Kiểm tra định kỳ nhật ký hệ thống quản lý pin (BMS) để phát hiện sự gia tăng điện trở nội, sự mất cân bằng giữa các tế bào pin hoặc khả năng chấp nhận sạc bất thường cho phép can thiệp kịp thời trước khi tình huống nguy hiểm xảy ra.
Quy định về lưu trữ và vận chuyển: Bảo quản pin ở trạng thái sạc trung gian trong điều kiện mát mẻ, khô ráo; tuân thủ các quy định vận chuyển nhằm giảm thiểu tác động cơ học và nhiệt.

Tiêu chuẩn, kiểm tra và chứng nhận — những yêu cầu cần đặt ra cho nhà cung cấp

Tiêu chuẩn tồn tại vì các thử nghiệm có kiểm soát phát hiện ra những điểm yếu mà kinh nghiệm thực tế có thể không phát hiện được. Các quy trình chứng nhận hiện đại yêu cầu các thử nghiệm gây hỏng hóc và lan truyền để đảm bảo rằng sự cố của một tế bào pin không dẫn đến cháy nổ toàn bộ bộ pin. Các đội mua sắm nên yêu cầu bằng chứng thử nghiệm độc lập (ví dụ: tuân thủ các tiêu chuẩn UL hoặc IEC liên quan) và yêu cầu xem các quy trình thử nghiệm được sử dụng để đưa ra các tuyên bố. Các xác nhận từ bên thứ ba này là một trong những tín hiệu thuyết phục nhất mà nhà cung cấp có thể cung cấp để chứng minh rằng bộ pin của họ được thiết kế để chứa đựng và chịu đựng các sự cố bên trong.

Phản ứng sự cố — các bước thực hiện nếu pin quá nhiệt

Mặc dù đã nỗ lực hết sức, một tế bào vẫn có thể bị hỏng. Hãy chuẩn bị một kế hoạch khẩn cấp bao gồm các bước phát hiện, cách ly và xử lý an toàn:

Cách ly ngay lập tức: Ngắt mạch sạc và xả thông qua chức năng ngắt kết nối của Hệ thống Quản lý Pin (BMS) hoặc cách ly thủ công.
Di tản và thông gió: Ưu tiên an toàn cho nhân viên và thông gió khu vực để phân tán khí độc.
Ức chế và làm mát: Cho phép năng lượng nhiệt tỏa ra an toàn; trong hầu hết các trường hợp, không nên cố gắng làm mát mạnh mẽ hoặc đâm thủng pin đang cháy.
Pháp y và thay thế: Sau sự cố, thu thập nhật ký BMS và bằng chứng vật lý để xác định nguyên nhân gốc rễ và đề xuất các biện pháp khắc phục.

Có một quy trình xử lý sự cố được tài liệu hóa và thực hành sẽ giúp giảm bớt hoảng loạn, đẩy nhanh quá trình phục hồi đồng thời bảo vệ con người và tài sản.

Danh sách kiểm tra mua sắm cho hệ thống LFP có rủi ro thấp (tài liệu tham khảo nhanh)

Yêu cầu hệ thống quản lý pin (BMS) có khả năng thu thập dữ liệu từ từng tế bào pin và cân bằng pin, kèm theo chức năng ghi nhật ký từ xa.
Yêu cầu thực hiện các thử nghiệm độc lập về khả năng lan truyền và an toàn theo các tiêu chuẩn được công nhận.
Kiểm tra hồ sơ kiểm soát chất lượng sản xuất và hồ sơ truy xuất nguồn gốc.
Kiểm tra tính tương thích của bộ sạc và cung cấp hạ tầng sạc có khả năng chịu nhiệt.
Xác định các biện pháp chứa đựng cơ học và nhiệt trong thiết kế bao bì.

Các yêu cầu này chuyển đổi lợi thế an toàn của hóa chất thành độ tin cậy của hệ thống có thể dự đoán và kiểm toán được.

Suy nghĩ cuối cùng — kết hợp hóa học với kỷ luật

LiFePO₄ cung cấp một biên độ an toàn đáng kể so với nhiều loại hóa chất lithium khác, nhưng an toàn thực tế đến từ thiết kế hệ thống: hóa chất, hệ thống quản lý pin (BMS), thiết kế nhiệt, quy trình sản xuất và các biện pháp kiểm soát vận hành hoạt động hài hòa với nhau. Các tổ chức coi an toàn pin là một chương trình - chứ không phải một sản phẩm - là những tổ chức loại bỏ rủi ro cháy nổ nhiệt trong thực tế. Yêu cầu dữ liệu minh bạch, kiểm tra độc lập và dữ liệu từ xa của hệ thống quản lý pin (BMS) từ nhà cung cấp để biến sự cố hiếm gặp thành một vấn đề kỹ thuật có thể quản lý được thay vì một cuộc khủng hoảng.